模拟移动床色谱在两种药物制备分离中的应用基础研究

摘要

天然药物与合成药物的分离纯化是药品生产的关键步骤，特别是对于单一构型的手性药、含有同系物等难分离杂质的天然药物的制备，往往需要借助于液相色谱技术，其他分离方法则难以胜任。然而，液相色谱制备技术是一项昂贵的制备手段，为改变这种状况，研究人员开发了多种连续色谱技术，尤其是模拟移动床色谱(SMB)具有可观的应用前景。进入新世纪以来，SMB在理论和设备上更加成熟，它具备产率高，溶剂消耗少的优点，十分适合用来分离结构、性质相近的混合物，如手性对映体、同分异构体、同系物等，因而越来越多地得到工业界的重视。本文以了心血管药物多烯酸乙酯和抗抑郁药西酞普兰的制备分离作为研究对象，对液相SMB的基础性问题进行研究，并将研究内容扩展到超临界流体SMB(SF-SMB)，开展了如下几方面的研究工作:
　　(1)选择C18（粒径10μm）和聚苯乙烯/二乙烯苯(PSDVB)树脂(粒径30μm)作为固定相分离二十碳五烯酸乙酯(EPA-EE)和二十二碳六烯酸乙酯(DHA-EE)。在液相色谱上考察流动相条件对保留时间和分离度的影响，优化色谱条件，从而为SMB选择合适的洗脱剂。结果表明EPA-EE和DHA-EE在C18和PSDVB树脂上均有分离效果，出峰顺序均为EPA-EE先出峰，DHA-EE后出峰。在C18半制备柱上，不同溶剂种类的分离度顺序为甲醇＞乙腈＞乙醇，最佳流动相条件为纯甲醇，分离度为1.53;在PSDVB树脂半制备柱上分离度的顺序为甲醇＞乙醇＞乙腈，最佳流动相条件为甲醇/乙醇(70/30，v∶v)的混合溶剂，分离度为0.97。
　　(2)采用吸附脱附法测定纯组分的EPA-EE和DHA-EE在C18和PSDVB树脂上的吸附等温线，操作温度40℃，用Langmuir模型拟合单一组分的吸附平衡数据。将得到吸附平衡常数进一步应用到双组分的竞争型Langmuir模型来预测双组分吸附等温线。结果表明Langmuir模型和竞争型Langmuir模型对吸附数据的拟合程度较好。计算得到EPA-EE和DHA-EE在C18上的饱和吸附量分别为422 g/L和613 g/L; EPA-EE和DHA-EE在PSDVB树脂上的饱和吸附量分别为106 g/L和130 g/L。PSDVB树脂对EPA-EE和DHA-EE的非线性吸附效应明显强过C18。
　　(3)用矩分析法估算EPA-EE和DHA-EE在C18和PSDVB树脂色谱柱上的传质参数，获得亨利常数（H）轴向扩散系数（Dax）和有效传质系数（Keff）等色谱模型的关键参数。EPA-EE和DHA-EE在C18柱上的轴向扩散系数分别为1.87×10-3cm2/min和1.85×10-3cm2/min，有效传质系数分别为0.339cm/min和0.348cm/min。在PSDVB树脂色谱柱上，分子扩散可以忽略，HETP与μint为线性关系8.78×10-3×μint，有效传质系数分别为0.227cm/min和0.221cm/min。吸附脱附实验表明所测模型参数基本能够描述色谱过程。
　　(4)采用三角理论设计EPA-EE和DHA-EE的完全分离区，研究不同进料浓度对分离区的影响，随着进料浓度的增加分离区的范围逐渐缩小，选择操作条件的难度加大。在分离区内选取合适的操作条件，在SMB装置上进行SMB实验，并对各进料浓度下的SMB的分离效果进行评价。C18 SMB工艺的最大进料浓度约为100g/L，此时萃取液产品的纯度为99.82％，萃余液产品的纯度为99.91％，产率13.1g/(h.L)，溶剂消耗0.46L/g。PSDVB树脂SMB工艺的最大进料浓度约为10g/L，萃取液和萃余液的纯度均达到99％以上，产率6.09g/(h.L)，溶剂消耗3.33L/g。结合总孔扩散模型和节点模型建立考虑轴向扩散和传质阻力的SMB数学模型，将SMB模型的预测结果与SMB的实验结果进行比较，SMB数学模型能近似描述分离效果。比较分离效果表明，本文选用的PSDVB树脂SMB工艺效果不如C18 SMB工艺，基于聚合物反相填料的SMB工艺有待于进一步的探索。
　　(5)选择Chiralpak AD半制备手性柱做为固定相，研究超临界流体色谱(SFC)对西酞普兰对映体的分离。纯超临界C02作为流动相时，两个异构体不出峰。改性剂和碱性添加剂的加入能显著提高分离效果，R-西酞普兰先出峰，S-西酞普兰后出峰。研究改性剂比例对分离的影响，结果表明仅在以10％异丙醇作为改性剂的流动相条件下，两个对映异构体实现基线分离，分离度为2.15。在等压状态下，温度对保留的影响较为复杂，没有明显的规律，保留因子的对数lnk与1/T不呈线性关系。但是，温度对分离因子的影响符合van't Hoff方程，lnα与1/T具有线性关系。热力学计算表明共洗脱温度Tiso大于100℃，分离过程为焓驱动过程，分离因子随着温度的升高而单调减小。结合Mathias-Klotz-Prausnitz混合法则，采用Peng-Robinson(PR)状态方程计算了不同压力和温度下流动相的密度。拟合结果表明保留因子和密度、温度关系符合平均晶格场模型。
　　(6)研究西酞普兰在手性柱上的吸附平衡常数与超临界CO2密度的关系。密度、温度与亨利常数的关系也符合平均晶格场模型，将其用于计算SF-SMB各区的吸附平衡常数。线性条件下，压力梯度SF-SMB的完全分离区并非三角形。基于平衡扩散模型建立了压力梯度SF-SMB数学模型，并研究了柱分布和切换时间对分离性能的影响。迸料浓度10g/L时，S-西酞普兰的产率为3.52 g/(L.h)，溶剂消耗为2.57 L/g，同时S-西酞普兰的纯度达到100％。

目录

声明

致谢

摘要

符号清单

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 模拟移动床色谱的研究进展

1．2．1 模拟移动床色谱的原理

1．2．2 模拟移动床色谱的应用

1．2．3 模拟移动床色谱的新发展

1．3 EPA和DHA的研究进展

1．3．1 EPA和DHA概述

1．3．2 EPA和DHA的分离方法

1．4 西酞普兰的研究进展

1．4．1 西酞普兰概述

1．4．2 西酞普兰的拆分方法

1．5 研究内容

第2章 反相硅胶模拟移动床色谱分离EPA-EE和DHA-EE

2．1 前言

2．2 理论部分

2．2．1 模拟移动床色谱的数学模型

2．2．2 吸附等温线

2．2．3 矩分析法

2．2．4 三角理论

2．2．5 模拟移动床色谱的分离性能指标

2．3 实验部分

2．3．1 实验材料和试剂

2．3．2 实验装置

2．3．3 固定相表征

2．3．4 脉冲进样实验

2．3．5 吸附脱附实验

2．3．6 模拟移动床色谱实验

2．4 结果与讨论

2．4．1 流动相的选择

2．4．2 色谱柱孔隙率的测定

2．4．3 吸附平衡常数的测定

2．4．4 轴向扩散系数与传质系数的测定

2．4．5 吸附脱附流出曲线的实验与模拟

2．4．6 模拟移动床色谱实验与模拟

2．5 本章小结

第3章 反相聚合物模拟移动床色谱分离EPA-EE和DHA-EE

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料和仪器

3．2．2 脉冲进样实验

3．2．3 吸附脱附实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 固定相的表征

3．3．2 流动相的选择

3．3．3 吸附等温线的测定

3．3．4 传质参数的测定

3．3．5 模拟移动床色谱分离EPA-EE和DHA-E

3．4 本章小结

第4章 超临界流体色谱法拆分西酞普兰对映体

4．1 前言

4．2 理论部分

4．2．1 平均晶格场模型

4．3 实验部分

4．3．1 试剂与材料

4．3．2 实验装置

4．3．3 西酞普兰碱的制备

4．3．4 脉冲进样色谱实验

4．4 结果与讨论

4．4．1 洗脱顺序与孔隙事

4．4．2 改性剂的影响

4．4．3 温度的影响

4．4．4 压力的影响

4．4．5 密度的影响

4．5 本章小结

第5章 超临晃模拟移动床色谱拆分西酞普兰对映体

5．1 前言

5．2 理论部分

5．2．1 平衡扩散模型

5．2．2 吸附等温线

5．2．3 压力梯度条件下的三角理论

5．2．4 分离性能指标

5．3 模拟部分

5．3．1 压力梯度SF-SMB

5．3．2 切换时间的影响

5．3．3 区结构的影响

5．4 本章小结

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

在学期闻取得的科研成果